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亨通:5G光模塊應用及關鍵光器件討論

時間:2019-04-26 15:24:06

前言

隨著中國經濟高速發展,改革開放以來已取得了巨大成就,在其各個行業之中,通信行業更是在發展中取得了令人矚目的成績。光模塊作為光通信中核心器件之一,在幾次大的發展機遇之中,從無到有,逐漸促成了如今規模龐大的產業。

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1 移動通信的演進過程

目前第五代移動通信(5G)技術,標準逐漸完善,即將邁入商用化進程。萬物互聯物聯網、人工智能等諸多概念的實現都將依賴于5G網絡發展與完善。承載網絡架構及各層技術方案為應對各類新型業務特性和高指標要求,均面臨新的挑戰。通信方式的變革,使得大規模基礎設施的建設勢在必行光模作為5G網絡物理層的基礎構成單元廣泛應用于無線及傳輸設備,其成本在系統設備中的占比甚至超過50~70%,而且還在不斷增高。差異化,高速率、長距離、寬溫度范圍和低成本對5G時代新型光模塊技術提出了更高的標準和要求。

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2 中國5G基站年增長量及5G承載網光模塊年投資額預測[1]

知名咨詢機構LightCounting于2018年10月發布了近年來光模塊整體市場規模的統計和預測。從3可以看到,到2023年,光模塊市場整體規模將達到120億美元以上,相比2018年的60億美元翻了一倍。從測算數據可以看出,5G(無線接入)和數據中心(以太網)這兩大重點應用會推動光模塊市場迎來更大規模的發展。

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3 近年來及未來幾年光模塊市場整體規模現狀及預測[2]

本文將介紹光模塊的基本概念與結構,基于5G承載網絡對光模塊的應用需求,描述不同應用場景下承載光模塊技術方案,核心光電器件的對比,以及通過對行業先進的硅光技術、工溫DFB激光器和非制冷EML技術的介紹,探討光模塊未來的發展方向與趨勢。

光模塊

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4 光收發模塊

光模塊的主要功能是實現電-光和光-電信號的轉換,通常包含光發射組件(含激光器)、光接收組件(含光探測器),跨阻放大器、驅動電路(Laser Driver),光學器件(透鏡、MUX或DEMUX)和光、電接口等結構單元,其結構示意圖如圖4所示

在發送端,控制電路控制電芯片,將特定速率的電信號經驅動芯片處理后驅動激光器發射出相應速率的調制光信號,然后經由透鏡等光學器件,輸出功率穩定的光信號到光纖。在接收端,一定速率的光信號由光纖輸入模塊,經過特定光器件,由光探測器(PD)轉換為電信號,放大器后輸出相應速率的電信號。

光模塊的分類方式有多種,分類依據有封裝方式、速率、傳輸距離、調制格式、是否支持波分復用(WDM)應用、光接口工作模式、工作溫度范圍等多種。例如按封裝方式可分為SFP+、 SFP28、QSFP28、CFP2、QSFP-DD、OSFP等;按速率可分為10Gbps、25Gbps、50Gbps、100Gbps、 400Gbps等;按傳輸距離可分為100m、10km、 20km、40km、80km及以上等;按調制格式可分為NRZ、PAM4、DP-QPSK/n-QAM等;按是否支持波分復用(WDM)分類為灰光模塊(不支持WDM)和彩光模塊(支持WDM);按光接口工作模式分類有雙纖雙向(Duplex)、單纖雙向(BiDi);按工作溫度范圍又可分為商業級 0~70℃)、工業級(-40~85℃)等。

光模塊內部最核心的電光轉換器件為激光器,可分為垂直腔面發射激光器(VCSEL)、法布里-珀羅激光器(FP)、分布式反饋激光器(DFB)、電吸收調制激光器(EML)等;最核心光電轉換器件的光探測器可分為PIN 結二極管(PIN)、雪崩光電二極管(APD)等。光模塊根據具體規格要求選擇不同的芯片方案不同類型的激光器和光探測器在性能和成本等方面存在差異

光模塊應用場景

數據中心

基于單通道25Gbps NRZ速率的25G AOC、100G光模塊目前占據主要市場份額,2km傳輸距離的CWDM4是100G模塊中最重要的組成部分。單通道50Gbps PAM4速率的解決方案已逐步應用,比如50G PAM4、2200G FR4、400G FR8和LR8等。基于單通道100Gbps PAM4速率的解決方案目前也有多種,比如100G PAM4、400G DR4、FR4和LR4等。相關協議及市場應用,受限于光器件交換芯片的技術成熟度,還處于小批量或者研發階段。

無線接入網

相比于數據中心,無線接入網對光模塊質量和性能的要求差異性較大。由于應用場景經常為惡劣環境,光模塊正常工作的溫度范圍要求就更寬,例如工業級溫度要求達到-40℃~+85℃的范圍,光模塊的制造成本也會相應增加。

5G光模塊的主要應用場景[3]

前傳(Fronthaul: AAU-DU):傳遞無線側網元設備AAU 和DU 間的數據;

中傳(Middlehaul: DU-CU):傳遞無線側網元設備DU 和CU 間的數據;

回傳(Backhaul: CU-核心網):傳遞無線側網元設備CU 和核心網元間的數據。

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5 5G光模塊的主要應用場景

對于5G網絡,基于《5G承載光模塊白皮書》和《中國電信5G技術白皮書》的規劃,前傳:10Gbps前傳光模塊可用于5G基站建設的初期,業界目前還是傾向于采用25Gbps速率的前傳模塊。25Gbps BiDi單纖雙向光模塊在國內產業鏈已基本做好準備,目前業界正在推動25Gbps Tunable波長可調諧光模塊國際和國內標準的制定。對于采用DRAN部署模式的,也可以采用基于FP/DFB激光器的傳輸距離在300m以內的25Gbps光模塊。目前海外市場對25Gbps CWDM、100Gbps 4WDM模塊有一定需求。技術難度最大,成本敏感(光纖光纜需求量大,基站數量眾多,可調諧激光器、低成本25G光模塊等),并且對維護的效率影響大,是前傳的主要特點。中傳(接入段):基于收斂功能的前提下,5G初期接入段可采用10Gbps或25Gbps速率的光模塊,比如采用10G SR(300m、FP激光器、SMF)、10Gbps或25Gbps LR(10km、DFB激光器、SMF)等。回傳(核心匯聚層):5G初期核心匯聚層可采用100Gbps速率的光模塊,比如采用100Gbps SR4(100m、VCSEL激光器、MMF-MPO)、100Gbps PSM4(500m、DFB激光器、SMF-MPO)或100Gbps CWDM4(2km、DFB激光器、SMF-LC)等。在城域層面,根據需要傳輸的距離不同,可采用100Gbps ER4、100Gbps PAM4或基于相干技術的100Gbps光模塊。

固定接入網[3]

目前國內市場需求集中在10Gbps PON OLT/ONU,以及Combo PON OLT側的升級,1577nm 10Gbps EML激光器市場需求迅速增長,降成本壓力巨大。另外中國聯通牽頭的基于G.metro技術國際標準的發布(ITU-T G.698.4),也推動了國內WDM-PON技術在5G前傳應用的研究,以及相關產品的開發。

硅光[4-5]

隨著用戶和數據中心之間通過互聯網的數據交互持續增長,數據中心內的數據通信量越來越高。現有數據中心的數據交換和互聯設備,無論是性能還是成本已經越來越難以應對如此龐大的數據流量增長,急需新的解決方案。

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6 Intel硅光技術[4]

硅光子器件如今已被光通訊行業業界普遍認同為下一代通訊系統和數據互連系統的核心技術器件之一。硅光子芯片技術不同于傳統光通訊器件的分離生產、組裝式的生產工藝,它利用硅或與硅兼容的其他材料,將光子和電子為載體的信息功能器件,集成到一塊硅基襯底上。其核心目的是通過將光電子器件“小型化”、“硅片化”并與納米電子器件相集成,形成一個完整的具有綜合功能的新型大規模光電集成芯片。硅光子器件技術所使用的集成光子芯片的開發、生產與當前主流半導體工業可以有機融合,為光模塊產業提供了大帶寬、高速率、低成本、低能耗的新型解決方案。與現有的光通信技術相比,硅光子技術在低成本、高集成度、多功能嵌入、高密度互聯、低功耗以及高可靠性方面,能夠更好的滿足當前數據中心提出的新要求。

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7 2016~2025年硅光子收發器市場預測[5]

目前,硅光子市場尚未大規模開啟,2016年芯片級市場規模約為3000萬美元[5]但未來硅光子市場增長潛力巨大,芯片級市場規模到2025年預計可增長至5.6億美元,而收發器級市場規模則預計將增長至40億美元[5]。這意味著硅光子技術市場在整體光收發器市場的占比,將從2016年的個位數,增長至2025年的35%,數據中心之間的通訊應用將占絕大大部分。盡管硅光子技術應用的晶圓數量僅占全球SOI(Silicon-On-Insulator)市場很小的一部分,但是由于SOI晶圓較高的價格,其所帶來的市場價值很高。

從產品形態角度預測,需求量最高的是400G產品,200G或將是100G向400G過渡的階段性產品。下一步的發展重點會是開發基于單波100G400G產品,成本目標低于1美元/千兆(gigabit),功耗低于5mW/Gb [5]

5G光模塊核心電-光轉換器件,激光器

VCSELDFB、EML 

光模塊核心光芯片主要應用于光通信系統的發射端,不同類型的激光器對光芯片可作如下分類:

1)按發光類型,分為面發射與邊發射。面發射激光主要為VCSEL(垂直腔面發射激光器);邊發射型激光,包括FP( Fabry–Pérot,法布里-珀羅激光器)、DFB(Distributed Feedback Laser, 分布反饋式激光器)及EML(Electro-absorption Modulated Laser,電吸收調制激光器)等。

2)按調制類型,分為直接調制與外調制。其中,DML(Directly Modulated Laser直接調制激光器)由電路直接控制激光的開閉狀態,最常見的是DFB激光器調制類型由外電路控制來實現激光的開閉狀態,較為常見的是DFB激光器電吸收調制器EAM組成的EML。

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8 激光器主要分類方式

傳統的FP激光器芯片由于損耗大,傳輸距離短的缺點,其在光通信領域的應用逐漸減少主要應用的激光芯片主要有以下三種:VCSELDFB和EML。

1)VCSEL具有單縱模、圓形輸出光斑、價格低廉和易于集成等特點,發光傳輸距離較短,適用于300m內的短距離傳輸。主要應用場景包括:數據中心內部、消費電子領域

2)DFB是在FP的基礎上通過內置布拉格光柵,使激光呈高度單色性,降低損耗,提升傳輸距離,從而滿足中長距離傳輸的要求屬于最常用的直接調制激光器主要應用場景包括:FTTx接入網、傳輸網、無線基站、數據中心內部互聯等。

3)EML激光通過在DFB的基礎上增加外調制器電吸收片(EAM,啁啾與色散性能均優于DFB,適用于更長距離傳輸。主要應用場景主要包括:高速率、遠距離的電信骨干網、城域網和數據中心互聯(DCI網絡)

 

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9 VCSEL、DFB和EML示意圖

 

1 發射端主要的三種激光器對比

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工業級溫度DFB

對于5G時代光模塊的應用,需求量將超過4G時代,低成本將依然成為產業鏈對光模塊的主要訴求。實現低成本最根本的手段是技術創新,包括網絡架構,網絡協議等各方面的創新,而物理層光器件的創新,是推動市場發展的根本動力[6]。對于無線接入網,由于較多基站要部署在惡劣的環境下,其對光模塊能夠正常工作的溫度范圍要求就很高,比如要達到工溫(-40℃~+85℃)的指標,商溫激光器加溫控的方案無論從制造還是功耗方面,都會造成光模塊成本增加。工業級溫度范圍的激光器替代商業級溫度范圍的激光器,是降低光模塊封裝成本的重要創新方向。

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10 10km單模光纖100GbE收發器降成本發展方向[7]


對于工業級溫度DFB激光器的設計與制造,從激光器的材料與結構(保持激光器的單模性)著手,來擴大溫度范圍。目前Oclaro,RenesasMacomMitsubishi等公司,均可供應工溫25G DFB激光器。全新的工溫25G激光器將滿足嚴格的工作要求,傳輸距離可達2至10千米有助于擴展無線基礎設施帶寬,實現高速5G連接。

非制冷EML

EML屬于外調制方式是指電吸收調制器(EAM)與DFB激光器的集成器件,其波長啁啾低,因此信號傳輸質量高,容易實現50G以上波特率高速調制,并且還具有易實現集成化小型化,低調制電壓,高消光比等特點,在10公里以上的中長距離光模塊中已經得到廣泛應用。然而,數據通信模塊的特點是低功耗和低價格,傳統EML需要溫度控制,光模塊整體耗電量會上升,同時EML的高成本,也成為了其廣泛應用的瓶頸。近年來,隨著需求變化的驅動,非制冷(UncooledEML已開始應用。將EML做成對環境變化不太敏感的光器件,使得在一定范圍溫度條件下(例如0~+70度),不需要溫控,或者簡單溫控便可以正常工作。通過在模塊中消除溫控器件,部分解決了成本和功耗的問題。因此在未來的數通領域,非制冷EML可以向下延伸到2km的應用,400G應用領域,把電信號加在光信號上直接調制方式受限于芯片速度,封裝難度大,能耗較高等因素,目前EML被認為是400G領域的重要選項之一。

據相關文獻[8]對低驅動電壓非制冷53 G baud PAM4(106G bps)EML激光器的報道。新開發高帶寬1.3μm非制冷EML激光器成功在20至85°C的寬溫度范圍內以0.9 VPP驅動電壓進行53 G baud PAM4工作通過仔細優化多量子阱(MQW設計和調制器長度,低寄生電容結構,其消光比超過4.9 dB,邊模抑制比SMSR)超過40 dB,3dB帶寬達到42 GHz,在20到85°C之間TDECQ小于2.3 dB,完全滿足53G baud調制的需要

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11 非制冷53G baud PAM4 EML激光器結構示意圖[8]


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12 2085°C光譜靜態特性[8]

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13 E/O響應(S21) 50°C, EA -1.0 V偏置電壓,100 mA驅動電流)[8]

結束語

本文通過介紹光模塊的基本概念與組成,討論了基于5G承載網絡對光模塊的應用及市場求,以及行業先進的硅光技術。通過對核心光-電器件介紹,工業級溫度DFB激光器,非制冷EML技術的發展,探討了光模塊物理層光器件未來的發展方向與趨勢。5G商用近在咫尺, 國內光通信產業的發展迎來新的助力,5G網絡規模部署以及物聯網的進一步發展更將帶來新一輪的機遇,光通信未來可期。


參考文獻:

[1] 程燊彥,‘光通信行業專題報告:5G數通雙驅動,光模塊再迎騰飛‘,中國國際證卷有限公司

[2] LightCounting, ‘October 2018 Market Forecast Report’

[3] IMT-2020(5G)推進組, ‘5G承載光模塊白皮書’

[4] Intel, ‘Data-centric innovation summit’, SANTA CLARA, CA, August 8, 2018

[5] Eric Mounier, Jean-Louis Malinge, ‘Silicon Photonics 2018’, Yole

[6] 張華,黃衛平,’ 5G無線光模塊的需求分析和關鍵技術’, 青島海信寬帶

[7] Masato Shishikura, Matt Traverso, KiyoHiramoto, Atsushi Takai, ‘Uncooled CWDM 25-Gbps EA/DFB Lasers for Cost-Effective 100GbE transceiver for 10km SMF’

[8] Yoshihiro Nakai, Akira Nakanishi, Yoriyoshi Yamaguchi, Syunya Yamauchi,                                Atsushi Nakamura, Hideaki Asakura, Hayato Takita, Shigenori Hayakawa, Masatoshi Mitaki,    Yasushi Sakuma, and Kazuhiro Naoe , ‘Uncooled Operation of 53-Gbaud PAM4 (106-Gb/s) EA/DFB Lasers with Extremely Low Drive Voltage with 0.9 Vpp’, OFC, 2008



  江蘇亨通洛克利科技有限公司  張擁健 陳奔
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